一种AMTEC/ORC联合发电系统的制作方法

本发明属于能源动力工程领域，涉及一种发电设备，特别是一种amtec/orc联合发电系统。

背景技术：

在第21届联合国气候变化大会上，为阻止全球变暖的趋势，抑制和控制碳排放，有近200个国家达成了一致协定，以确保地球升温不超过工业革命前2℃。为完成这一目标，国内外专家学者提出了很多方案，其中，作为方案之一的开发新型能源系统，回收和利用工业余热就显得十分重要，该方案目前已成为一种提高能源利用效率的趋势。碱金属热电转换器(alkalimetalthermaltoelectricconverter—amtec)可以将热能直接转为电能。它是利用了β"氧化铝固体电解质(beta"aluminasolidelectrolyte—base)的选择透过性，并以碱金属作为工质，在热端温度为900～1300k时，其理论热电转换效率可达到30～40％。amtec具有功率密度高、运行稳定和效率高等优点，适用于核能、太阳能和化石能等多种形式的热源，在地面和空间都有很好的应用前景。虽然amtec的理论热电转换效率可达到30～40％，但目前的实际热电转换效率只有14～18％，并且在amtec实际运行时，amtec工质在冷凝器处将温度为600k左右的冷凝热直接排给了周围环境，造成了巨大的能源浪费，这部分冷凝热约占amtec总输入热量的41％左右。目前，回收利用工业余热的方式主要有发电、制冷和供暖，其中制冷的方法主要是使用工业余热驱动吸收式制冷系统，但600k左右的冷凝热属于高品位能源，以吸收式制冷和供暖的方式回收冷凝热，不能充分利用高品位能源，会造成很大的损失，并且电能具有通用性，可转化为其他形式的能源，所以利用amtec冷凝热发电是利用冷凝热的首选方式。余热发电现有的成熟技术主要是利用温差发电系统和orc发电系统回收工业余热，但温差发电系统的热电转换效率一般在10％以下，而orc发电系统的热电转换效率可达到20％以上。为了回收利用amtec冷凝热，提高能源利用效率，本发明设计提出一种amtec/orc联合发电系统，以有机朗肯循环系统(orc)回收碱金属热电转换器(amtec)冷凝热，构建amtec/orc联合发电系统。

技术实现要素：

本发明的目的在于寻求设计一种amtec/orc联合发电系统，能够有效提高能源的利用效率。

为了实现上述目的，本发明涉及的一种amtec/orc联合发电系统通过如下技术方案实现：amtec/orc联合发电系统包括有amtec子系统和orc子系统，amtec子系统与orc子系统通过联合换热器耦合，联合换热器既是amtec子系统的冷凝器，也是orc子系统的蒸发器，amtec子系统的工质作为联合换热器中的热流体，在联合换热器中冷凝释放出冷凝热，orc子系统的工质作为联合换热器中的冷流体吸收amtec冷凝热后，变成高温高压的过热蒸汽进入汽轮机中膨胀做功，为获得高输出电压，单个base管以串联的形式连接在一起构成base集成模块，base集成模块设置于腔体中间处并将腔体分为上下两个部分，上部空间为低压腔，下部空间为高压腔，低压腔的输出端与联合换热器的输入端管路连接，联合换热器的输出端与电磁泵ⅰ的输入端管路连接，电磁泵ⅰ的输出端与amtec蒸发器的输入端连接以构成回路；联合换热器还依次管路连接有汽轮机、回热器、orc冷凝器、电磁泵ⅱ，再次管路连接至回热器，并经回热器与联合换热器管路连接，其中汽轮机还与发电机连接以通过汽轮机带动其发电产生电能。

本发明中orc子系统的工质为有机工质，amtec子系统的工质是钠、钾和钠钾合金中的一种，以钠作为amtec的工质，以甲苯作为orc子系统的工质，具体工作过程按照如下方式进行：钠在联合换热器中完全冷凝后，被电磁泵ⅰ加压成过冷状态，然后经管路进入amtec蒸发器中，吸收热源释放的热量，变成高温高压的过热钠蒸汽，随后离开amtec蒸发器进入高压腔中，由于base管两侧存在强大的压力差，有压力差就有流动，钠原子本能的要往低压腔流动，因为base管只允许阳离子(钠离子)通过，不允许电子通过，如此阳极侧(base管与高压腔相连的一侧)就滞留了大量的电子，而大量的钠离子穿过base管到达了阴极侧(base管与低压腔相连的一侧)；当amtec外电路接通时，阳极侧的电子通过外电路导线到达阴极侧，并与阴极侧的钠离子重新结合成钠原子，并在阴极表面蒸发进入低压腔，最后流出低压腔进入联合换热器中冷凝成钠液体；

orc子系统的有机工质甲苯在联合换热器中，吸收钠释放的冷凝热，蒸发成高温高压的过热蒸汽，进入汽轮机中膨胀做功，汽轮机带动发电机转动发电，从汽轮机出来的甲苯蒸汽在回热器中冷却放热，而后进入orc冷凝器中进一步冷却为液态，并被电磁泵ⅱ加压为过冷液态后，进入回热器中吸收来自于甲苯蒸汽从汽轮机中出来在回热器中释放的热量，而后进入联合换热器中继续吸收钠释放的热量，变成高温高压的甲苯过热蒸汽，如此循环往复。

将amtec蒸发器和orc冷凝器构造成一个换热器-联合换热器，即联合换热器既是amtec系统的冷凝器，也是orc系统的蒸发器，使得amtec冷凝热的传热效率更高，并且amtec/orc联合发电系统的体积更小、重量更轻、结构更加紧凑。

本发明于现有技术相比，取得的有益效果如下：能够回收利用amtec冷凝热，实现了能量的梯级利用，提高了能源的利用效率；根据设计规模尺寸的不同，该套联合系统既可适用于小规模发电，也可适用于大规模发电，其主体结构简单，设计构思巧妙，使用安全方便，应用效果友好，市场前景广阔。

附图说明：

图1为本发明的主体结构原理示意图。

图中：热源1、amtec蒸发器2、高压腔3、base管4、低压腔5、遮热罩6、腔体7、联合换热器8、电磁泵ⅰ9、汽轮机10、发电机11、回热器12、orc冷凝器13、电磁泵ⅱ14。

具体实施方式：

下面通过实例并结合附图对本发明进一步说明。

实施例1：

本实施例涉及的一种amtec/orc联合发电系统，通过如下技术方案实现：

amtec/orc联合发电系统包括有amtec子系统和orc子系统，amtec子系统与orc子系统通过联合换热器8耦合，联合换热器8既是amtec子系统的冷凝器，也是orc子系统的蒸发器，amtec子系统的工质作为联合换热器8中的热流体，在联合换热器8中冷凝释放出冷凝热，orc子系统的工质作为联合换热器8中的冷流体吸收amtec冷凝热后，变成高温高压的过热蒸汽进入汽轮机10中膨胀做功，为获得高输出电压，单个base管4以串联的形式连接在一起构成base集成模块，base集成模块设置于腔体7中间处并将腔体7分为上下两个部分，上部空间为低压腔5，下部空间为高压腔3，低压腔5的输出端与联合换热器8的输入端管路连接，联合换热器8的输出端与电磁泵ⅰ9的输入端管路连接，电磁泵ⅰ9的输出端与amtec蒸发器2的输入端连接以构成回路；联合换热器8还依次管路连接有汽轮机10、回热器12、orc冷凝器13、电磁泵ⅱ14，再次管路连接至回热器12，并经回热器12与联合换热器8管路连接，其中汽轮机10还与发电机11连接以通过汽轮机10带动其发电产生电能。

本实施例中orc子系统的工质为有机工质，amtec子系统的工质是钠、钾和钠钾合金中的一种，以钠作为amtec的工质，以甲苯作为orc子系统的工质，具体工作过程按照如下方式进行：钠在联合换热器8中完全冷凝后，被电磁泵ⅰ9加压成过冷状态，然后经管路进入amtec蒸发器2中，吸收热源1释放的热量，变成高温高压的过热钠蒸汽，随后离开amtec蒸发器2进入高压腔3中，由于base管4两侧存在强大的压力差，有压力差就有流动，钠原子本能的要往低压腔5流动，因为base管4只允许阳离子(钠离子)通过，不允许电子通过，如此阳极侧(base管4与高压腔3相连的一侧)就滞留了大量的电子，而大量的钠离子穿过base管4到达了阴极侧(base管4与低压腔5相连的一侧)；当amtec外电路接通时，阳极侧的电子通过外电路导线到达阴极侧，并与阴极侧的钠离子重新结合成钠原子，并在阴极表面蒸发进入低压腔5，最后流出低压腔5进入联合换热器8中冷凝成钠液体；

orc子系统的有机工质甲苯在联合换热器8中，吸收钠释放的冷凝热，蒸发成高温高压的过热蒸汽，进入汽轮机10中膨胀做功，汽轮机10带动发电机11转动发电，从汽轮机10出来的甲苯蒸汽在回热器12中冷却放热，而后进入orc冷凝器13中进一步冷却为液态，并被电磁泵ⅱ14加压为过冷液态后，进入回热器12中吸收来自于甲苯蒸汽从汽轮机10中出来在回热器12中释放的热量，而后进入联合换热器8中继续吸收钠释放的热量，变成高温高压的甲苯过热蒸汽，如此循环往复。

实施例2：

本实施例在使用时，orc子系统充分回收利用了amtec冷凝热，在amtec子系统蒸发温度为1100k，冷凝温度为600k时，amtec/orc联合发电系统的最大实际热电转换效率为35.1％，相比amtec单一系统提高了9.4％，并且在输入热量为125.4kw时，总输出电能为44kw，其中amtec子系统输出电能为32.2kw，orc子系统输出电能为11.8kw。

实施例3：

将amtec蒸发器2和orc冷凝器13构造成一个换热器-联合换热器8，即联合换热器8既是amtec系统的冷凝器，也是orc系统的蒸发器，使得amtec冷凝热的传热效率更高，并且amtec/orc联合发电系统的体积更小、重量更轻、结构更加紧凑。